DE102008060950A1 - Motor vehicle with a waste heat utilization device, in particular for feeding the converted into usable power waste heat in the drive of the motor vehicle - Google Patents

Motor vehicle with a waste heat utilization device, in particular for feeding the converted into usable power waste heat in the drive of the motor vehicle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Abwärmenutzungseinrichtung (9) zur Nutzung mehrerer Abwärmequellen eines Kraftfahrzeugs durch Wandlung der nutzbaren Abwärme in mechanische Arbeit und/oder elektrische Energie. Da die aus der Abwärme gewonnene mechanische Arbeit durch zumindest einen Stromgenerator (6, 10, 20) in nutzbare elektrische Energie gewandelt wird, ist es möglich, ein solches vorhandenes Abwärmenutzungsgesamtsystem stückweise um weitere Abwärmenutzungskomponenten oder Abwärmequellen zu erweitern, ohne das Gesamtkonzept ändern zu müssen.The invention relates to a motor vehicle having a waste heat utilization device (9) for using a plurality of waste heat sources of a motor vehicle by converting the usable waste heat into mechanical work and / or electrical energy. Since the mechanical work obtained from the waste heat is converted into usable electrical energy by at least one power generator (6, 10, 20), it is possible to expand such an existing overall waste heat utilization system by other waste heat utilization components or waste heat sources without having to change the overall concept.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung insbesondere durch Einspeisung der in nutzbare Leistung umgewandelten Abwärme in den Antrieb des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The present invention relates to a motor vehicle having a device for waste heat recovery, in particular by feeding the in usable power converted waste heat into the drive of the Motor vehicle with the features of the preamble of the claim 1.

Die EP 1 326 017 B1 beschreibt ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor jeweils zum Erzeugen einer Antriebsleistung für das Hybridfahrzeug. Der Verbrennungsmotor erzeugt eine Antriebsleistung durch Verbrennen eines im Tank bevorrateten Brennstoffes, während der Elektromotor durch eine elektrische Energie einer elektrischen Energiespeichereinrichtung angetrieben wird. Des Weiteren ist ein Laden der elektrischen Energiespeichereinrichtung durch den Elektromotor beschrieben. Das Hybridfahrzeug weist weiterhin eine Wärmekraftmaschine auf, die als Clausius-Rankine-Kreisprozess ausgestaltet ist. Diese Wärmekraftmaschine wandelt die Abwärme des Verbrennungsmotors während des Betriebs in mechanische Arbeit um. Mittels eines Stromgenerators, der zusätzlich zu dem Elektromotor vorgesehen ist, kann die aus der Abwärme erzeugte mechanische Arbeit in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann zum einen über den Elektromotor in einen Antrieb eingespeist werden oder zum Laden des elektrischen Energiespeichers genutzt werden. Des Weiteren ist die Wärmekraftmaschine so ausgebildet, dass die aus der Abwärme umgewandelte mechanische Arbeit direkt in den Antrieb des Hybridfahrzeugs als eine mechanische Antriebsleistung eingespeist werden kann.The EP 1 326 017 B1 describes a hybrid vehicle having an internal combustion engine and an electric motor, respectively, for generating a drive power for the hybrid vehicle. The internal combustion engine generates a driving power by burning a fuel stored in the tank while the electric motor is driven by an electric power of an electric energy storage device. Furthermore, charging of the electrical energy storage device by the electric motor is described. The hybrid vehicle further includes a heat engine configured as a Clausius-Rankine cycle. This heat engine converts the waste heat of the internal combustion engine into mechanical work during operation. By means of a power generator, which is provided in addition to the electric motor, the mechanical work generated from the waste heat can be converted into electrical energy. On the one hand, this electrical energy can be fed into a drive via the electric motor or used for charging the electrical energy store. Further, the heat engine is configured so that the mechanical work converted from the waste heat can be fed directly into the drive of the hybrid vehicle as a mechanical drive power.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, für ein Kraftfahrzeug mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass für das Kraftfahrzeug ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann.The The present invention is now concerned with the problem for a motor vehicle with a waste heat utilization device an improved or at least another embodiment particular distinguished by the fact that, for the Motor vehicle higher efficiency can be achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention This object is achieved by the subject matter of the independent claim solved. Advantageous embodiments are the subject the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Teil der Abwärme mehrerer Abwärmequellen eines Kraftfahrzeugs mittels einer oder mehrerer Abwärmenutzungsvorrichtungen und des im Falle eines Hybridfahrzeugs vorhandenen Elektromotors oder zumindest eines weiteren, zusätzlichen Stromgenerators in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Die elektrische Energie wird dabei entweder direkt in den Elektromotor, der zum Antrieb des Kraftfahrzeugs vorhanden ist, einspeist oder in einen elektrischen Energiespeicher zur späteren Verwendung geladen.The Invention is based on the general idea, a part of the waste heat several waste heat sources of a motor vehicle by means of a or more waste heat recovery devices and in the case a hybrid vehicle existing electric motor or at least one additional, additional power generator in usable electrical To transform energy. The electrical energy is either directly into the electric motor, which is available to drive the motor vehicle is, feeds or into an electrical energy store for later Use loaded.

Besonders vorteilhaft an dieser Bauweise ist eine elektrische Einspeisung der aus der Abwärme gewonnenen elektrischen Energie. Durch die Einspeisung der aus der Abwärme gewonnen mechanischen Arbeit unter Zuhilfenahme des elektrischen Energiespeichers oder des Elektromotors ist es möglich, ein vorhandenes Abwärmenutzungsgesamtsystem stückweise um weitere Abwärmequellen, wie zum Beispiel eine Abgasrückführungseinrichtung, eine Motorkühlungseinrichtung, eine Ladeluftkühlung oder dergleichen, zu erweitern, ohne ein Gesamtkonzept ändern zu müssen. Dabei können die jeweiligen Abwärmequellen durch eine oder mehrere Abwärmenutzungseinrichtungen genutzt werden, und jeder Kreislauf kann für sich selbst optimiert werden, da die elektrische Energie als die zentrale Energieform verwendet wird. Zudem ist über eine nicht-mechanische, sondern elektrische Einspeisung der aus der Abwärme gewonnenen Energie eine optimierte Regelung der Einzelkreisläufe möglich.Especially advantageous in this design is an electrical feed the electrical energy recovered from the waste heat. By the feeding of the mechanical waste won from the waste heat Work with the help of the electrical energy storage or of the electric motor, it is possible to use an existing waste heat recovery system Piece by piece to other waste heat sources, such as Example, an exhaust gas recirculation device, a Engine cooling device, a charge air cooling or like to expand without changing an overall concept to have to. In this case, the respective waste heat sources used by one or more waste heat utilization facilities and each circuit can be optimized for itself be because the electrical energy as the central form of energy is used. Moreover, it is about a non-mechanical, but electrical feed of the recovered from the waste heat Energy an optimized control of individual circuits possible.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist die fehlende Notwendigkeit von mehreren mechanischen Einspeisungen in den Antrieb, da in dieser Ausführungsform eine zentrale Einspeisung der elektrischen Energie über einen elektrischen Energiespeicher und einen Elektromotor bevorzugt ist. Es soll jedoch zumindest eine mechanische Einspeisung der aus der Abwärme gewonnenen Leistung im Falle der großen Abwärmequellen, wie zum Beispiel der Abgaswärmequelle, nicht ausgeschlossen werden. Jedoch hat die Verwendung der mechanischen Einspeisung der aus der Abwärme gewonnenen Leistung gegenüber der elektrischen Einspeisung gerade im Fall mehrere Elektromotoren Nachteile, da die elektrische Einspeisung bezüglich der Leistungsverteilung deutlich flexibler ist, und konstruktiv um vieles einfacher zu realisieren ist.One Another advantage of this embodiment is the missing Need of multiple mechanical feeds into the drive, since in this embodiment a central feed the electrical energy via an electrical energy storage and an electric motor is preferred. It should, however, at least one mechanical feed of the waste heat recovered Power in case of large waste heat sources, such as for example, the exhaust heat source, not excluded become. However, the use of mechanical feed has the from the waste heat gained power compared the electrical supply especially in the case of several electric motors Disadvantages, since the electrical feed with respect to Power distribution is much more flexible, and constructive much easier to realize.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Subclaims, from the drawings and from the associated Description of the figures with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in each case specified combination, but also in other combinations or can be used in isolation, without the scope of the present To leave invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.preferred Embodiments of the invention are in the drawings and will become more apparent in the following description explained, wherein the same reference numerals to the same or similar or functionally identical components relate.

Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:

1 einen Antriebsstrang mit den wesentlichen, durch eine Abwärmenutzungsvorrichtung nutzbaren Abwärmequellen eines Kraftfahrzeugs und mit einem Elektromotor, 1 a drive train with the essential, usable by a waste heat recovery device waste heat sources of a motor vehicle and with an electric motor,

2 einen Antriebsstrang mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung und einer Kupplung zwischen einem Aggregat und dem Elektromotor, 2 a power train having a waste heat utilization device and a clutch between an engine and the electric motor,

3 einen Antriebsstrang ohne eine Kupplung, 3 a powertrain without a clutch,

4 einen Antriebsstrang mit einer Kupplung zwischen dem Elektromotor und einem Getriebe, 4 a drive train with a coupling between the electric motor and a transmission,

5 einen Antriebsstrang mit einem separatem Stromgenerator und dem Elektromotor im Antriebsstrang, 5 a power train with a separate power generator and the electric motor in the drive train,

6 einen Antriebsstrang mit einem über einen Stromgenerator entkoppelten Aggregat. 6 a drive train with a decoupled via a power generator unit.

Gemäß 1 umfasst ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug eine Antriebseinrichtung 1 mit einem Antriebsstrang 2 und einer Energieeinspeisungseinrichtung 3 zur Einspeisung der Energie zusätzlicher Energiequellen.According to 1 a motor vehicle, not shown, comprises a drive device 1 with a powertrain 2 and a power supply device 3 for feeding the energy of additional energy sources.

Der Antriebsstrang 2 ist mit einem Aggregat 4, mit einem an das Aggregat 4 angeschlossenen Tank 5, zumindest einem Stromgenerator/Elektromotor 6, einem Getriebe 7 und einer Antriebswelle 8 ausgestattet. Das Aggregat 4 kann zur Erzeugung von mechanischer Antriebsleistung, z. B. als Verbrennungsmotor oder als Gasturbine und/oder zur Erzeugung von elektrischem Strom, z. B. als Brennstoffzelle ausgestaltet sein. Im Fall der Brennstoffzelle ist das Aggregat 4 jedoch nicht direkt an die Antriebswelle 8 angebunden, sondern elektrisch mit dem Stromgenerator/Elektromotor 6 verschaltet. Der Tank 5 kann somit mit flüssigen Brennstoffen, wie zum Beispiel mit Öl, Benzin, einfachen Alkoholen oder dergleichen, oder mit gasförmigen Brennstoffen, wie zum Beispiel mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff oder dergleichen, betankt sein. Es kann auch mehr als ein Stromgenerator/Elektromotor 6 im Antriebsstrang 2 installiert sein. Diese Stromgeneratoren/Elektromotoren 6 können dabei jeweils als Stromgenerator und Elektromotor oder nur als Stromgenerator und nur als Elektromotor wirken. Dementsprechend würde ein als Stromgenerator wirkender Stromgenerator/Elektromotor 6 eine über die Antriebswelle 8 übertragene mechanische Arbeit in eine elektrische Energie umwandeln, während ein als Elektromotor wirkender Stromgenerator/Elektromotor 6 eine elektrische Energie in eine Antriebsleistung umwandeln würde, die über die Antriebswelle 8 an das Getriebe 7 weitergeleitet wird. Wesentlich ist jedoch, dass diese Stromgeneratoren/Elektromotoren 6 direkt im Antriebsstrang angeordnet sind.The powertrain 2 is with an aggregate 4 , with one to the unit 4 connected tank 5 , at least one power generator / electric motor 6 , a gearbox 7 and a drive shaft 8th fitted. The aggregate 4 can be used to generate mechanical drive power, z. B. as an internal combustion engine or as a gas turbine and / or for the production of electric power, for. B. be designed as a fuel cell. In the case of the fuel cell is the aggregate 4 but not directly to the drive shaft 8th tethered, but electrically with the power generator / electric motor 6 connected. The Tank 5 may thus be fueled with liquid fuels, such as oil, gasoline, simple alcohols or the like, or with gaseous fuels, such as gaseous hydrocarbons, hydrogen or the like. It can also be more than a power generator / electric motor 6 in the drive train 2 be installed. These power generators / electric motors 6 can each act as a power generator and electric motor or only as a power generator and only as an electric motor. Accordingly, acting as a current generator power generator / electric motor 6 one over the drive shaft 8th Convert transferred mechanical work into electrical energy, while acting as an electric motor power generator / electric motor 6 converting electrical energy into drive power through the drive shaft 8th to the gearbox 7 is forwarded. However, it is essential that these power generators / electric motors 6 are arranged directly in the drive train.

Die Energieeinspeisungseinrichtung 3 für die Nutzung von zusätzlichen Energiequellen weist als eine wesentliche Komponente zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung 9 auf. Außerdem sind zumindest ein Stromgenerator 10 und zumindest ein elektrischen Energiespeicher 11 vorgesehen. Eine solche Abwärmenutzungseinrichtung 9 wandelt einen Teil der Abwärme von Abwärmequellen, wie zum Beispiel einer Abgasanlage 12, einer Motorkühlung 13, einer Ladeluftkühlung 14 oder einer Abgasrückführungskühlung 15, in nutzbare mechanische Arbeit. Es ist hierbei aber auch denkbar, dass eine solche Abwärmenutzungseinrichtung 9 mit mehreren Abwärmequellen oder mit anderen Abwärmequellen, wie zum Beispiel einer Pumpenkühlung, einer Turbinenkühlung, einer Bremsflüssigkeitskühlung, einer Kompressorkühlung oder dergleichen, verbunden ist. Da die genannten Abwärmequellen des Kraftfahrzeugs oder auch weitere, bis jetzt noch nicht aufgeführte Abwärmequellen Wärmepotentiale unterschiedlicher Temperatur und Energiedichte darstellen und somit die Abwärmequellen eine unterschiedliche Leistungsausbeute aufweisen, ist es zweckmäßig, mehr als nur eine Abwärmenutzungseinrichtung 9 vorzusehen und die jeweilige Abwärmenutzungseinrichtung 9 auf die entsprechende Abwärmequelle zu optimieren. Es ist aber auch denkbar, mehrere Abwärmequellen in einem Arbeitsfluidkreislauf hintereinander zu schalten, um ein Arbeitsfluid stufenweise auf eine optimale Arbeitstemperatur der Abwärmenutzungseinrichtung 9 zu erhitzen. Zumindest ein solcher Stromgenerator 10 wandelt dabei die mechanische Arbeit der Abwärmenutzungseinrichtung 9 in elektrische Energie um. Als weitere nutzbare Energiequelle ist eine Bremsenergienutzungseinrichtung 16, 16' denkbar, die die anfallende Bremsenergie während des Bremsvorgangs über den Stromgenerator 10 oder aber mittels zumindest eines Stromgenerators/Elektromotors 6 in elektrische Energie umwandelt. Dabei soll es möglich sein, die durch zumindest einen solchen Stromgenerator 10 und/oder durch zumindest einen solchen Stromgenerator/Elektromotor 6 umgewandelte elektrische Energie in zumindest eine elektrische Energiespeichereinrichtung 11 zu laden. Als weitere nutzbare Energiequelle ist im Fall der elektrischen Energiespeichereinrichtung 11 eine Solaranlage 17 denkbar, die während eines Lichteinfalls die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 lädt. Da zum Beispiel die Komponenten 6, 10, 17 dazu verwendet werden können, die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 zu laden und die Komponenten 6, 10, 17 mit unterschiedlicher Leistung ausgestattet sind, ist es sinnvoll, zwischen diesen Komponenten 6, 10, 17 und dem elektrischen Energiespeicher 11 zumindest einen Stromspannungswandler vorzusehen, damit die elektrische Energie optimal in die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 geladen werden kann. Als weitere externe Energiequelle soll auch eine externe Ladeeinrichtung, wie zum Beispiel ein Hausstromnetz oder eine Elektrotankstelle, an die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 anschließbar sein. Ebenfalls denkbar ist der komplette Austausch der elektrischen Energiespeichereinrichtung 11 im entladenen Zustand durch eine geladene elektrische Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel an einer dafür ausgerüsteten Energiespeichertankstelle. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 kann dabei als eine Batterie, als ein Kondensator, als ein Doppelschicht-Kondensator oder dergleichen oder einer beliebigen Kombination daraus ausgebildet sein.The energy feed device 3 for the use of additional energy sources has as an essential component at least one waste heat utilization device 9 on. In addition, at least one power generator 10 and at least one electrical energy storage 11 intended. Such a waste heat utilization device 9 Converts a portion of the waste heat from waste heat sources, such as an exhaust system 12 , a motor cooling 13 , a charge air cooling 14 or exhaust gas recirculation cooling 15 , in usable mechanical work. However, it is also conceivable that such a waste heat utilization device 9 with multiple waste heat sources or with other waste heat sources, such as a pump cooling, turbine cooling, brake fluid cooling, compressor cooling or the like, is connected. Since the abovementioned sources of heat from the motor vehicle or other, as yet unlisted, waste heat sources represent heat potentials of different temperature and energy density and thus the waste heat sources have a different power output, it is expedient to use more than just one waste heat utilization device 9 provide and the respective waste heat utilization device 9 to optimize the corresponding waste heat source. However, it is also conceivable to successively switch a plurality of waste heat sources in a working fluid circuit, in order to gradually increase a working fluid to an optimum operating temperature of the waste heat utilization device 9 to heat. At least one such power generator 10 converts the mechanical work of the waste heat utilization device 9 into electrical energy. Another useful source of energy is a braking energy utilization device 16 . 16 ' conceivable, the resulting braking energy during the braking process via the power generator 10 or by means of at least one current generator / electric motor 6 converted into electrical energy. It should be possible, by at least one such power generator 10 and / or by at least one such power generator / electric motor 6 converted electrical energy into at least one electrical energy storage device 11 to load. Another useful source of energy is in the case of the electrical energy storage device 11 a solar system 17 conceivable, during a light incidence, the electrical energy storage device 11 invites. For example, the components 6 . 10 . 17 can be used to the electrical energy storage device 11 to load and the components 6 . 10 . 17 are equipped with different performance, it makes sense between these components 6 . 10 . 17 and the electrical energy storage 11 provide at least one current-voltage converter so that the electrical En energy optimally in the electrical energy storage device 11 can be loaded. As a further external energy source and an external charging device, such as a domestic power grid or an electric filling station, to the electrical energy storage device 11 be connectable. Also conceivable is the complete replacement of the electrical energy storage device 11 in the discharged state by a charged electrical energy storage device, for example at an energy storage station equipped therefor. The electrical energy storage device 11 may be formed as a battery, as a capacitor, as a double-layer capacitor or the like, or any combination thereof.

Die Abwärmenutzungseinrichtung 9 ist zweckmäßig als Kreisprozess ausgestaltet. Dabei ist eine Ausgestaltung als Carnot-Kreisprozess, als Clausius-Rankine-Kreisprozess, als Stirling-Kreisprozess oder als Joule-Kreisprozess vorteilhaft. Die Abwärmenutzungseinrichtung 9 wandelt dabei die Wärme der Abwärmequellen 12, 13, 14, 15 in mechanische Arbeit um. Der Stromgenerator 10 und der Stromgenerator/Elektromotor 6 wandeln die mechanische Arbeit in eine elektrische Energie um. Als Energievorrat dient der Tank 5 und die elektrische Energiespeichereinrichtung 11.The waste heat utilization device 9 is expediently designed as a circular process. An embodiment is advantageous as a Carnot cycle, as a Clausius-Rankine cycle, as a Stirling cycle or as a Joule cycle. The waste heat utilization device 9 converts the heat of the waste heat sources 12 . 13 . 14 . 15 into mechanical work. The power generator 10 and the power generator / electric motor 6 convert the mechanical work into an electrical energy. The tank serves as energy reserve 5 and the electric energy storage device 11 ,

Das Aggregat 4, insbesondere der Verbrennungsmotor oder die Gasturbine, liefert erst ab einem bestimmten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Der Stromgenerator/Elektromotor 6 dagegen stellt schon beim Anfahren das maximale Drehmoment zur Verfügung und lässt erst bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch die Kombination beider Motoren 4, 6 kann das Kraftfahrzeug schneller beschleunigen und beide Aggregate 4, 6 können mit einer geringeren Motorleistung ausgestaltet werden, da beide Aggregate 4, 6 zum Antrieb beitragen. Auf einen separaten Anlasser kann verzichtet werden, weil der Stromgenerator/Elektromotor 6 diese Funktion übernimmt. Die Energie zum Anlassen des Aggregats 4 durch den Stromgenerator/Elektromotor 6 wird der elektrischen Energiespeichereinrichtung 11 entnommen. Im niedrigen Drehzahlbereich sowie beim Anfahren wird vorrangig der Stromgenerator/Elektromotor 6 die Antriebsleistung produzieren. So ist denkbar, im Stadtverkehr, also bei häufigem Stoppen und Anfahren, das Aggregat 4 komplett auszuschalten. Falls das Aggregat 4 allerdings nicht ausgeschaltet wird, so kann im Leerlauf oder dergleichen, also zum Beispiel beim Halten an einer roten Ampel, die aus der Abwärme über die Abwärmenutzungseinrichtung 9 gewonnene mechanische Arbeit über den Stromgenerator 10 oder den Stromgenerator/Elektromotor 6 in elektrische Energie umgewandelt werden, die in die elektrischen Energiespeichereinrichtung 11 geladen werden kann. Im hohen Drehzahlbereich, so zum Beispiel beim Fahren auf der Autobahn mit hoher Geschwindigkeit, bei dem über lange Zeit eine hohe Motorleistung benötigt wird, kann gegebenenfalls der Stromgenerator/Elektromotor 6 abgeschaltet werden und die anfallende Abwärme über die Abwärmenutzungseinrichtung 9 und den Stromgenerator 10 als elektrische Leistung in die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 geladen werden. Ebenso ist es denkbar, dass bei laufendem Aggregat 4 und aktivem Stromgenerator/Elektromotor 6 die aus der Abwärme über die Abwärmenutzungseinrichtung 9 gewonnene mechanische Leistung direkt dem Stromgenerator/Elektromotor 6 zugeführt wird und somit die nutzbare Abwärme direkt zum Antrieb des Kraftfahrzeugs beiträgt.The aggregate 4 , in particular the internal combustion engine or the gas turbine, only delivers a high torque from a certain speed range. The power generator / electric motor 6 on the other hand, the maximum torque is already available when starting up and only decreases in torque at higher speeds. By the combination of both engines 4 . 6 can accelerate the car faster and both units 4 . 6 can be designed with a lower engine power, as both units 4 . 6 contribute to the drive. On a separate starter can be omitted, because the power generator / electric motor 6 this function takes over. The energy to start the unit 4 through the power generator / electric motor 6 becomes the electric energy storage device 11 taken. In the low speed range as well as when starting is primarily the power generator / electric motor 6 to produce the drive power. So it is conceivable in city traffic, so with frequent stopping and starting, the unit 4 completely switch off. If the aggregate 4 However, is not turned off, it can idle or the like, so for example when holding at a red light, the waste heat from the waste heat utilization device 9 gained mechanical work on the power generator 10 or the power generator / electric motor 6 be converted into electrical energy in the electrical energy storage device 11 can be loaded. In the high speed range, such as when driving on the highway at high speed, which is required for a long time high engine power, if necessary, the power generator / electric motor 6 be switched off and the resulting waste heat on the waste heat utilization device 9 and the power generator 10 as electrical power in the electrical energy storage device 11 getting charged. It is also conceivable that while the unit is running 4 and active power generator / electric motor 6 from the waste heat through the waste heat utilization device 9 obtained mechanical power directly to the power generator / electric motor 6 is supplied and thus contributes the usable waste heat directly to the drive of the motor vehicle.

Zumindest ein solcher Stromgenerator/Elektromotor 6 kann sowohl als Stromgenerator als auch als Elektromotor eingesetzt werden. So ist es möglich, im Leerlauf oder dergleichen bei laufendem Aggregat 4 die aus der Abwärme über die Abwärmenutzungseinrichtung 9 gewonnene mechanische Arbeit in elektrische Energie zu wandeln und diese in die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 zu laden. Es ist aber auch denkbar zumindest einen solchen Stromgenerator/Elektromotor 6 als Stromgenerator in Koppelung mit einer Bremsenergienutzungseinrichtung 16' zu verwenden, um bei einer Bremsung die anfallende Bremsenergie in elektrische Energie, die in die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 geladen werden kann, zu wandeln. Im singulären Antriebsmodus bzw. im dualen Betrieb zusammen mit dem Aggregat 4 wirkt der Stromgenerator/Elektromotor 6 als Elektromotor und trägt seinen Teil zum Antrieb bei. Wird der Stromgenerator/Elektromotor 6 mit einem Schwungrad ausgestattet, so kann der Stromgenerator/Elektromotor 6 ebenfalls eine gewisse Menge an Energie als mechanische Energie in Form des Schwunges des Schwungrades speichern.At least one such power generator / electric motor 6 can be used both as a power generator and as an electric motor. So it is possible to idle or the like with the unit running 4 from the waste heat through the waste heat utilization device 9 obtained mechanical work into electrical energy and convert this into the electrical energy storage device 11 to load. But it is also conceivable at least such a power generator / electric motor 6 as a power generator in coupling with a braking energy utilization device 16 ' to use in braking the resulting braking energy into electrical energy, which is in the electrical energy storage device 11 can be loaded, convert. In singular drive mode or in dual operation together with the unit 4 acts the power generator / electric motor 6 as an electric motor and contributes its part to the drive. Will the power generator / electric motor 6 equipped with a flywheel, so can the power generator / electric motor 6 also store a certain amount of energy as mechanical energy in the form of the momentum of the flywheel.

Gemäß 2 ist es möglich, zwischen Aggregat 4 und Stromgenerator/Elektromotor 6 eine Kupplung 18 im Antriebsstrang 2 zu installieren. Durch diese Kupplung 18 kann das Aggregat 4 vom Antriebsstrang getrennt werden, damit im Fall einer Abschaltung des Aggregats 4, zum Beispiel im Stadtverkehr, dieser nicht unnötigerweise mit der Antriebswelle 8 verbunden bleibt. Dies reduziert zum einen den Verschleiß und zum anderen wird dadurch keine unnötige Energie verbraucht, da das Aggregat 4 im entkoppelten Zustand mit der Antriebswelle 8 nicht in Bewegung gehalten wird. Nach Abschaltung des Aggregats 4 kann allerdings die Restwärme des Aggregats 4 durch Wandlung in mechanische Arbeit mittels der Abwärmenutzungseinrichtung 9 dennoch zum Antrieb beitragen bzw. nach Wandlung in die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 als elektrische Energie geladen werden. Diese Ausführungsform entspricht einem parallelen Hybridantrieb. Das Getriebe 7 kann dabei manuell oder bevorzugt automatisch ausgebildet sein, wobei bei einem Automatikgetriebe ein Drehmomentwandler benötigt wird.According to 2 is it possible between aggregate 4 and power generator / electric motor 6 a clutch 18 in the drive train 2 to install. Through this coupling 18 can the aggregate 4 be disconnected from the drive train, so in case of shutdown of the unit 4 For example, in city traffic, this not unnecessarily with the drive shaft 8th remains connected. On the one hand, this reduces wear and, on the other hand, no unnecessary energy is consumed, because the unit 4 in the decoupled state with the drive shaft 8th is not kept moving. After switching off the unit 4 However, the residual heat of the unit can 4 by conversion into mechanical work by means of the waste heat utilization device 9 nevertheless contribute to the drive or after conversion into the electrical energy storage device 11 charged as electrical energy. This embodiment corresponds to a parallel hybrid drive. The gear 7 can be formed manually or preferably automatically, with a Automatikge a torque converter is needed.

Gemäß 3 ist es nun möglich, eine Kupplung 19 im Antriebsstrang 2 zwischen dem Stromgenerator/Elektromotor 6 und dem Getriebe 7 zu installieren. In dieser zweckmäßigen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, im Leerlauf bzw. beim Stehen des Kraftfahrzeuges aber bei angeschaltetem Aggregat 4 über den Stromgenerator/Elektromotor 6, der in diesem Fall als Stromgenerator wirkt, sowohl die über die Antriebswelle 8 übertragbare mechanische Motorleistung des Aggregats 4 als auch die Abwärme über die Abwärmenutzungseinrichtung 9 in elektrische Energie zu wandeln und dieselbe in die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 zu laden. In diesem Fall könnte man gegebenenfalls auf eine Ladeeinrichtung zum Laden der elektrischen Energiespeichereinrichtung 11 aus einem externen Energiereservoir verzichten, da es möglich ist, direkt durch das Aggregat 4 und die Abwärmenutzungseinrichtung 9 die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 vollständig zu laden, indem man das Aggregat 4 des Kraftfahrzeugs im Stand laufen lässt.According to 3 it is now possible to have a clutch 19 in the drive train 2 between the power generator / electric motor 6 and the transmission 7 to install. In this expedient embodiment, it is possible, at idle or when standing of the motor vehicle but with the unit turned on 4 via the power generator / electric motor 6 , which in this case acts as a current generator, both via the drive shaft 8th Transmittable mechanical engine power of the unit 4 as well as the waste heat through the waste heat utilization facility 9 to convert into electrical energy and the same in the electrical energy storage device 11 to load. In this case, one could optionally use a charging device for charging the electrical energy storage device 11 refrain from an external energy reservoir, since it is possible, directly through the aggregate 4 and the waste heat utilization device 9 the electrical energy storage device 11 to fully charge by removing the aggregate 4 of the motor vehicle running in the state.

Die 4 zeigt nun eine Kombination der Ausführungsformen gemäß 2 und 3, bei der im Antriebsstrang 2 zwischen dem Aggregat 4 und dem Stromgenerator/Elektromotor 6 eine Kupplung 18 und zwischen dem Stromgenerator/Elektromotor 6 und dem Getriebe 7 ebenfalls eine weitere Kupplung 19 installiert ist. Diese Ausführungsform vereinigt die Vorteile der Ausführungsformen gemäß 2 und 3.The 4 now shows a combination of the embodiments according to 2 and 3 in the drivetrain 2 between the aggregate 4 and the power generator / electric motor 6 a clutch 18 and between the power generator / electric motor 6 and the transmission 7 also another clutch 19 is installed. This embodiment combines the advantages of the embodiments according to 2 and 3 ,

In 5 wird eine Ausführungsform nach Art eines seriellen Hybridantriebs dargestellt. Das Aggregat 4 ist dabei mit einem Stromgenerator 20 gekoppelt und nicht im Antriebsstrang 2 integriert. In dieser Ausführungsform treibt alleinig der Elektromotor 21 das Kraftfahrzeug an. Jedwede mechanische Leistung des Aggregats 4 wird durch den Stromgenerator 20 in elektrische Leistung gewandelt, die wiederum in den Elektromotor 21, der mit dem Antriebsstrang verbunden ist, eingespeist wird. Die Abwärmenutzungseinrichtung 9 speist in diesem Fall ebenfalls über den Stromgenerator 20 oder den Stromgenerator 10 die in mechanische Arbeit gewandelte Abwärme der Abwärmequellen als elektrische Energie entweder in den Elektromotor 21 oder die elektrische Energiespeichereinrichtung 11 ein. Das Aggregat 4 mit zumindest einer solchen Abwärmenutzungseinrichtung 9 trägt somit nur indirekt über die Stromgeneratoren 10, 20 zum Antrieb bei.In 5 an embodiment is shown in the manner of a serial hybrid drive. The aggregate 4 is with a power generator 20 coupled and not in the powertrain 2 integrated. In this embodiment alone drives the electric motor 21 the motor vehicle. Any mechanical power of the unit 4 is through the power generator 20 converted into electrical power, in turn, in the electric motor 21 , which is connected to the drive train, is fed. The waste heat utilization device 9 in this case also feeds via the power generator 20 or the power generator 10 the converted into mechanical work waste heat of the waste heat sources as electrical energy either in the electric motor 21 or the electric energy storage device 11 one. The aggregate 4 with at least one such waste heat utilization device 9 thus contributes only indirectly via the electricity generators 10 . 20 to drive.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß 6 mit zumindest einem im Antriebsstrang installierten Stromgenerator 20 und zumindest einem im Antriebsbereich installierten Elektromotor 21 ist das Getriebe 22 mit einer Kupplung oder einem Leerlauf ausgestattet. Durch diese Anordnung ist es möglich, über die aktivierte Kupplung oder den aktivierten Leerlauf des Getriebes 22 das Aggregat 4 von der direkten Einspeisung mechanischer Arbeit in den Antrieb zu trennen. Dementsprechend kann somit der gesamte Energiefluss um das Getriebe 22 herum in zumindest einen solchen Elektromotor 21 eingeleitet werden. Die Abwärmenutzungseinrichtung 9 leitet die aus der Abwärme gewonnene mechanische Arbeit in den Stromgenerator 20 ein, wodurch ein solcher Stromgenerator 10 nicht mehr notwendig ist. Diese Ausführungsform nutzt eine Lastpunktverschiebung des Aggregats in den bzgl. des Wirkungsgrades besseren Hochlastbereich. Zumindest ein solcher Elektromotor 21 ist mit einem weiteren Antriebsstrang, der direkt auf die Räder oder die Radachsen wirkt, verbunden.In a further preferred embodiment according to 6 with at least one installed in the drive train power generator 20 and at least one electric motor installed in the drive area 21 is the transmission 22 equipped with a clutch or an idling. By this arrangement, it is possible via the activated clutch or the activated idling of the transmission 22 the aggregate 4 separate from the direct feed of mechanical work into the drive. Accordingly, therefore, the entire energy flow around the transmission 22 around in at least one such electric motor 21 be initiated. The waste heat utilization device 9 directs the mechanical work gained from the waste heat into the power generator 20 a, whereby such a power generator 10 is no longer necessary. This embodiment uses a load point shift of the unit in the respect of the efficiency better high load range. At least one such electric motor 21 is connected to another driveline that acts directly on the wheels or axles.

11
Antriebseinrichtungdriving means
22
Antriebsstrangpowertrain
33
EnergieeinspeisungseinrichtungEnergy delivery means
44
Aggregataggregate
55
Tanktank
66
Stromgenerator/ElektromotorCurrent generator / electric motor
77
Getriebetransmission
88th
Antriebswelledrive shaft
99
AbwärmenutzungseinrichtungWaste heat utilization device
1010
Stromgeneratorpower generator
1111
elektrische Energiespeichereinrichtungelectrical Energy storage device
1212
Abgasanlageexhaust system
1313
Motorkühlungengine cooling
1414
LadeluftkühlungIntercooling
1515
AbgasrückführungskühlungExhaust gas recirculation cooling
1616
BremsenergienutzungseinrichtungBraking energy utilization device
1717
Solaranlagesolar system
1818
Kupplungclutch
1919
Kupplungclutch
2020
Stromgeneratorpower generator
2121
Elektromotorelectric motor
2222
Getriebe mit Kupplung/Leerlauftransmission with clutch / idle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1326017 B1 [0002] - EP 1326017 B1 [0002]

Claims (11)

Kraftfahrzeug, umfassend – ein Aggregat (4) zur Erzeugung von mechanischer Antriebsleistung und/oder von elektrischem Strom, – zumindest einen Elektromotor (21) zur Erzeugung von Antriebsleistung, – zumindest einen Stromgenerator (10, 20), – zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9) mit mehreren Abwärmequellen (12, 13, 14, 15) des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, um deren Abwärme in nutzbare mechanische Arbeit und/oder mittels des zumindest einen Stromgenerators in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln.Motor vehicle comprising - an aggregate ( 4 ) for generating mechanical drive power and / or electric current, - at least one electric motor ( 21 ) for generating drive power, - at least one power generator ( 10 . 20 ), - at least one waste heat utilization device ( 9 ), characterized in that the at least one waste heat utilization device ( 9 ) with several waste heat sources ( 12 . 13 . 14 . 15 ) of the motor vehicle is coupled to convert their waste heat into usable mechanical work and / or by means of the at least one power generator into usable electrical energy. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat (4) als ein Mitglied folgender Gruppe oder einer beliebigen Kombination daraus ausgebildet ist: – ein Verbrennungsmotor zur Erzeugung von mechanischer Antriebsleistung, – eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischem Strom, – eine Gasturbine zur Erzeugung von mechanischer Antriebsleistung.Motor vehicle according to claim 1, characterized in that the unit ( 4 ) is formed as a member of the following group or any combination thereof: an internal combustion engine for generating mechanical drive power, a fuel cell for generating electric power, a gas turbine for generating mechanical drive power. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9) mit zumindest zwei Abwärmequellen (12, 13, 14, 15) aus folgender Gruppe gekoppelt ist: – eine Abgasanlage (12), – ein Kühlwasserkreislauf (13), z. B. eines Verbrennungsmotors, – eine Ladeluftkühlung (14), z. B. eines Turboladers, – eine Abgasrückführungskühlung (15), – eine Schmiermittelkühlung, z. B. von Öl eines Turboladers oder eines Verbrennungsmotors, – eine Brennstoffzellenkühlung, – eine Stromgeneratorkühlung, – eine Elektromotorkühlung, – eine Turbinenkühlung, – eine Kompressorkühlung, – eine Pumpenkühlung.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one waste heat utilization device ( 9 ) with at least two waste heat sources ( 12 . 13 . 14 . 15 ) is coupled from the following group: an exhaust system ( 12 ), - a cooling water circuit ( 13 ), z. B. an internal combustion engine, - a charge air cooling ( 14 ), z. B. a turbocharger, - an exhaust gas recirculation cooling ( 15 ), - a lubricant cooling, z. Example of oil of a turbocharger or an internal combustion engine, - a fuel cell cooling, - a power generator cooling, - an electric motor cooling, - a turbine cooling, - a compressor cooling, - a pump cooling. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9) als Kreisprozess ausgestaltet ist, der insbesondere als Carnot-Kreisprozess oder als Clausius-Rankine-Kreisprozess oder als Stirling-Kreisprozess oder als Joule-Kreisprozess oder dergleichen ausgestaltet sein kann.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one waste heat utilization device ( 9 ) is designed as a circular process, which can be configured in particular as a Carnot cycle or as a Clausius-Rankine cycle or as a Stirling cycle or as a Joule cycle or the like. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9) zur Nutzung der aus der Abwärme gewonnenen nutzbaren Arbeit mit zumindest einer Komponente aus der Gruppe folgender Komponenten des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist: – eine elektrische und/oder mechanische Antriebseinrichtung, – eine elektrische Lichterzeugungseinrichtung, – eine elektrische Heizeinrichtung, – elektronische Komponenten, wie z. B. Radio, Bordcomputer oder dergleichen.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one waste heat utilization device ( 9 ) is coupled with at least one component from the group of the following components of the motor vehicle to use the useful work obtained from the waste heat: an electrical and / or mechanical drive device, an electric light generating device, an electrical heating device, electronic components, such as, for. As radio, on-board computer or the like. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug mit einer mechanischen Antriebseinrichtung (1) ausgestattet ist, die mit der zumindest einen Abwärmenutzungseinrichtung (9) so gekoppelt ist, dass die aus der Abwärme über die zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9) gewonnene nutzbare mechanische Arbeit direkt als Antriebsleistung verwendbar ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the motor vehicle with a mechanical drive means ( 1 ) equipped with the at least one waste heat utilization device ( 9 ) is coupled so that the waste heat from the at least one waste heat utilization device ( 9 ) Usable mechanical work directly usable as drive power. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug eine elektrische Energiespeichereinrichtung (11) aufweist, in die die durch die zumindest eine Abwärmenutzungseinrichtung (9) gewonnene und durch den zumindest einen Stromgenerator (6, 10, 20) umgewandelte, nutzbare elektrische Energie zur weiteren Verwendung speicherbar ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the motor vehicle has an electrical energy storage device ( 11 ) into which the at least one waste heat utilization device ( 9 ) and by the at least one power generator ( 6 . 10 . 20 ) Convertible, usable electrical energy can be stored for further use. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung (11) als ein Mitglied folgender Gruppe oder einer beliebigen Kombination daraus ausgebildet ist: – Batterie – Kondensator, – Doppelschichtkondensator.Motor vehicle according to claim 7, characterized in that the electrical energy storage device ( 11 ) is formed as a member of the following group or any combination thereof: - battery - capacitor, - double-layer capacitor. Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung (11) als ein zentraler elektrischer Energiespeicher und zur elektrischen Versorgung aller elektrischen und/oder elektronischen Komponenten des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.Motor vehicle according to claims 7 or 8, characterized in that the electrical energy storage device ( 11 ) is designed as a central electrical energy storage and for the electrical supply of all electrical and / or electronic components of the motor vehicle. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug zumindest eine weitere Energiegewinnungseinrichtung (16, 16', 17), wie z. B. eine Bremsenergienutzungseinrichtung (16, 16'), eine Solaranlage (17) oder dergleichen, aufweist, durch die ebenfalls die jeweilige nicht genutzte Energieform in nutzbare mechanische Arbeit und/oder mittels des zumindest einen Stromgenerators (10, 20) in nutzbare elektrische Energie umwandelbar ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the motor vehicle at least one further energy recovery device ( 16 . 16 ' . 17 ), such. B. a braking energy utilization device ( 16 . 16 ' ), a solar system ( 17 ) or the like, through which likewise the respective unused energy form can be converted into useable mechanical work and / or by means of the at least one power generator ( 10 . 20 ) is convertible into usable electrical energy. Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor oder die Gasturbine mit dem Elektromotor (6, 21) parallel und direkt mechanisch mit einem Getriebe (7) des Kraftfahrzeugs koppelbar sind und/oder dass der Verbrennungsmotor oder die Gasturbine über eine elektrische Leistungskopplung mit dem Elektromotor (6, 21) koppelbar ist, der wiederum mechanisch mit dem Getriebe (7) koppelbar ist.Motor vehicle according to one of the preceding the claims, characterized in that the internal combustion engine or the gas turbine with the electric motor ( 6 . 21 ) parallel and directly mechanically with a transmission ( 7 ) of the motor vehicle and / or that the internal combustion engine or the gas turbine via an electrical power coupling with the electric motor ( 6 . 21 ), which in turn is mechanically connected to the transmission ( 7 ) can be coupled.
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